Основные режимы отказа ОПН

Отказ разрядника почти всегда приводит к полному короткому замыканию внутри его корпуса.В большинстве сценариев сбой происходит из-за пробоя диэлектрика, в результате чего внутренняя структура разрядника ухудшилась до такой степени, что разрядник не может выдерживать приложенное напряжение, будь то нормальное напряжение сети, временное перенапряжение промышленной частоты (например, после внешних повреждений линии или переключения) или удар молнии. или коммутация импульсных перенапряжений.Существует множество причин, по которым разрядник может достичь такого состояния.В этой статье INMR от 2013 г., подготовленной отраслевым экспертом Майклом Комбером (сейчас на пенсии), обсуждаются режимы работы большинства разрядников.

Попадание влаги

Возможно, наиболее распространенной причиной выхода разрядника из строя является попадание влаги внутрь него.Это означает, что разрядник был:

• плохо спроектирован, или
• изготовлено ненадлежащим образом или
• повреждено какой-либо внешней силой, что привело к нарушению его системы уплотнения.

Фрагменты разрядника отправлены на испытания для определения причины отказа	Здесь разрядник вышел из строя из-за внешнего перекрытия из-за контакта с дикой природой.

Хотя основная причина в каждом случае может быть одной и той же, то, как это приводит к конечному отказу, может значительно различаться.В случае разрядника с полым сердечником, где вокруг колонны блоков MOV имеется газовое пространство (обычно это сухой воздух или азот), даже небольшая утечка может привести к тому, что называется «перекачиванием уплотнения» из-за перепада давления.Например, в течение дня солнце нагревает пламегаситель так, что внутреннее давление увеличивается по сравнению с атмосферным, и происходит утечка газа наружу.При охлаждении ОПН ночью этот процесс идет в обратном порядке, внутреннее давление падает ниже атмосферного, а наружный воздух (со всей влагой) засасывается в ОПН.Такой цикл может повторяться в течение многих дней, месяцев или даже лет, прежде чем влага внутри накопится до такой степени, что возникнет проблема с нарушением диэлектрической целостности.В конструкции ОПН со сплошным сердечником (с небольшим или отсутствующим внутренним газовым пространством) этот процесс не происходит.Однако утечка все еще может происходить из-за несовершенных торцевых уплотнений.В этом случае проникновение влаги больше связано с «затеканием» — процессом, при котором влага постепенно проникает вниз через границы между блоками MOV и контактирующими с ними материалами.

Способ, которым диэлектрическая целостность ухудшается из-за проникновения влаги, также может различаться.Простое присутствие влаги, если она сконцентрирована только в газе внутри разрядника с полым сердечником, не окажет существенного влияния на диэлектрическую прочность.Скорее, проблема заключается в том, как эта влага взаимодействует с внутренними поверхностями и материалами.Было отмечено, например, что выход из строя разрядников с фарфоровым корпусом, связанный с влажностью, чаще происходит в вечернее время, чем в дневную жару.Это связано с накоплением влаги, конденсирующейся на внутренних стенках фарфора, когда он остывает после захода солнца.Затем электрическая прочность поперек стены постепенно снижается до тех пор, пока не произойдет внутреннее перекрытие от конца до конца.Влага, как правило, не конденсируется на блоках MOV разрядника под напряжением, потому что они выделяют достаточно тепла, чтобы поддерживать свою температуру немного выше температуры окружающего газа.Однако, если материал, используемый для покрытия или бортика блоков, является гигроскопичным, он может поглощать влагу, в результате чего некоторые блоки становятся более проводящими на своих внешних поверхностях.Это по существу смещает напряжение на другие блоки и приводит к более высоким проводимым токам, внешним по отношению к одним блокам, но внутренним по отношению к другим.В конечном итоге весь стек больше не может выдерживать приложенное напряжение.(Примечание: этого сценария можно избежать, обеспечив использование только негигроскопичных материалов, таких как стекло). разрядник может привести к пробою и выходу из строя диэлектрика.、

Временное перенапряжение (TOV)

В нормальных условиях эксплуатации, когда на разрядник подается максимальное продолжительное рабочее напряжение, Uc температура блоков MOV поднимается лишь немного выше температуры окружающей среды.Затем достигается точка, в которой дополнительное генерируемое тепло находится в равновесии с теплом, которое разрядник рассеивает в окружающий воздух.Это представляет собой нормальное рабочее состояние термической стабильности разрядника, изображенное зеленой точкой на кривой 1 на рис. 1. Здесь синие кривые представляют потери мощности блоков MOV в зависимости от температуры блока, а темно-коричневая линия представляет тепло, которое может рассеиваться из разрядника в сборе, в том числе в зависимости от температуры блока.Если напряжение промышленной частоты на разряднике увеличивается (например, из-за нарушения в системе, неисправности или операции переключения), блоки MOV проводят больший ток и начинают нагреваться.Пока перенапряжение находится ниже некоторого критического предела, будет достигнута новая термически стабильная рабочая точка, хотя и при более высокой рабочей температуре блока MOV, как показано зеленой точкой на кривой 2. Однако, если перенапряжение будет достаточной величины, тепло, выделяемое блоками, остается больше, чем устройство может рассеять.Затем может возникнуть ситуация потенциального теплового разгона, как показано кривой 3.

Если напряжение вернется к норме (т. е. к MCOV) до того, как будет достигнута критическая температура блока, разрядник останется термически стабильным и в конечном итоге охладится до исходного состояния, как показано на рис. 2. Здесь кривая А представляет условия для нормальной работы. напряжение (т. е. MCOV) и кривая B — условия для повышенного напряжения, которое потенциально может привести к тепловому разгону, даже если этого удается избежать, поскольку напряжение возвращается к норме до того, как будет достигнута критическая температура.С другой стороны, если перенапряжение продолжается за пределами точки, в которой достигается критическая температура блока MOV, температура блоков продолжает расти, даже если напряжение возвращается к MCOV, как показано на рис. 3. В таком случае (т.е. разгон), блоки в конечном итоге становятся настолько проводящими, что они больше не могут поддерживать даже MCOV и будут замыкаться накоротко, что приведет к отказу разрядника.

Старение блоков MOV

На заре использования разрядников из оксида металла в середине-конце 1970-х годов блоки MOV всех производителей демонстрировали некоторую степень старения, в результате чего их рассеиваемая мощность при любом заданном напряжении медленно, но постоянно увеличивалась с течением времени.Результирующее влияние на характеристики разрядника будет аналогичным описанному для TOV, а именно, после некоторого времени эксплуатации мощность (тепло), вырабатываемая блоками, будет в основном аналогично той, которая возникает в результате TOV, возникающего, когда блоки были новыми.Со временем выделяемое тепло будет эквивалентно теплу от более высокого TOV на блоках в их новом состоянии.В конечном счете, генерируемое тепло достигло точки, при которой невозможно было поддерживать стабильную работу, как показано кривой 3 на рис. 1. Затем блоки испытали бы тепловой разгон, точно так же, как если бы они подвергались достаточно высокому длительному TOV в их первоначальном новом состоянии. состояние.

Эта характеристика старения блоков была обнаружена на раннем этапе и учтена в стандартах испытаний ANSI/IEEE, а также в стандартах испытаний IEC посредством испытаний на ускоренное старение.В этих испытаниях образцы блоков подвергались MCOV в течение 1000 часов при поддержании температуры блока на уровне 115°C, и считалось, что это эквивалентно 40 годам эксплуатации при 40°C.Если в конце 1000 ч рассеиваемая мощность была выше, чем в начале испытания, параметры для других испытаний должны были быть скорректированы с учетом этого увеличения.Подразумевалось, что разрядники, прошедшие испытания, будут служить не менее 40 лет (конечно, при условии, что они будут работать в соответствии со спецификациями).С последующими значительными улучшениями в технологии обработки, блоки MOV, производимые в наши дни, демонстрируют характеристику, благодаря которой рассеиваемая мощность фактически уменьшается с течением времени при любом заданном напряжении.Это означает, что они становятся более, а не менее термически стабильными во время эксплуатации и, следовательно, маловероятно, что они вызовут отказ ОПН из-за старения.

Термический разбег от Surge Duty

Упомянутый здесь режим перенапряжения возникает в результате относительно высоких скачков тока из-за молнии, коммутации длинных линий или конденсаторных батарей.Некоторые из них могут иметь очень большие амплитуды, но относительно короткую продолжительность (например, грозовые перенапряжения), в то время как другие имеют гораздо большую продолжительность, но значительно меньшую амплитуду (например, перенапряжения при переключении).Тем не менее, все они имеют заряд, который при прохождении через разрядник приводит к поглощению определенного количества энергии блоками.Эта поглощенная энергия вызывает почти немедленный адиабатический нагрев.Блоки MOV обычно имеют удельную теплоемкость около 3,3 Дж/см3/°C, что означает, что они выдерживают повышение температуры примерно на 10°C на каждые 33 Дж/см3 энергии (при условии, что эта энергия поступает быстро).

Если подводимая энергия является чрезмерной, результирующее повышение температуры блоков может быть таким, что разрядник перейдет в состояние теплового разгона.Например, при работе разрядника в соответствии с кривой 1 на рис. 1 стабильной рабочей температурой будет температура, обозначенная зеленой точкой.Если температура блоков быстро повышается (в результате поглощения энергии) настолько, что становится выше, чем показано черной точкой на той же кривой, то разрядник не восстановится после этого события и перейдет в тепловой разгон, как описано выше. ранее для ситуации длительного ТОВ.

Повреждение блоков MOV из-за перенапряжения

Одним из проявлений энергии, поглощаемой блоками MOV, является повышение их температуры, как обсуждалось выше.Однако, если энергия имеет достаточную величину и выделяется в течение относительно короткого периода времени, блоки могут быть необратимо повреждены.Например, в результате термомеханического удара они могут расколоться на две или более частей.В других случаях варисторные блоки могут быть пробиты в локализованных местах либо частично, либо полностью через их корпус.В других случаях на краю блока может произойти разрушение типа точечного отверстия, что может привести к удалению материала с его внешней поверхности.Как правило, каждый такой тип повреждения сопровождается ухудшением электрической целостности блока, проявляющимся либо в его неспособности выдержать другое энергетическое событие без электрического пробоя, либо в снижении его способности поддерживать нормальное рабочее напряжение.Обе ситуации могут рано или поздно привести к полному выходу разрядника из строя.

Эта статья является копией из INMR (https://www.inmr.com), не для коммерческого использования, только для технического обучения и общения.